基于微波固化技術的碳纖維/環氧樹脂復合材料試驗

何棟 唐婷

摘要：通過微波固化技術針對碳纖維/環氧樹脂復合材料進行試驗，采用力學性能測試、紅外光譜分析、電鏡掃描、CT掃描對熱固化與微波固化試樣的力學性能、微細現形態做了比較分析。試驗結果表明，基于溫度平臺監控、功率不斷增加的微波固化反應速率顯著提高，周期也明顯縮短了大約60%;基于力學性能角度，微波固化與熱固化試樣的拉伸強度與層剪強度人體持平，但是力學性能分散度相對偏低，離散系數較小，碳纖維表層帶有大量樹脂基體;基于電鏡與CT掃描分析，微波固化可更有效控制試樣孔隙率，以確保試樣質量。

關鍵詞：微波固化技術;碳纖維;環氧樹脂;復合材料

中圖分類號：TB332文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0067-04

碳纖維復合材料具有其自身獨特優勢，即比強度、比模量、耐熱性、耐腐蝕性良好，得以在化工與航空航天領域備受青睞。當前，碳纖維復合材料的固化方式依舊是熱固化，周期長、耗能大、成本高等現象十分突出。但微波固化技術是新型復合材料固化方式，加熱速度快、效率高、均衡性好、節能環保，可在很大程度上彌補熱固化方式的缺陷。因此，基于微波固化技術開展了碳纖維/環氧樹脂復合材料試驗分析。

1微波固化機理

針對微波加速反應機理，研究持兩種不同觀點，即熱效應與非熱效應。熱效應指出微波在化學反應中的應用只屬于加熱方式，主要是受微波影響，反應機理溫度上升以加快了速度。非熱效應則來源于微波輻射場在離子與極性分子中的洛侖磁力作用，基于微波作用的有機反應改變動力學，降低活化能。

微波固化與熱固化不同，是極化介質于電磁場的介質耗能可促使微波轉變成材料熱能，以加快速度反應，快速固化復合材料。基于微波輻射的復合材料所汲取能量，即：

P=2πfδ₁δ（t）e²（1）

P代表能量;f代表輻射頻率，單位為Hz;δ₁代表自由空間電容率，單位為F/m;8（t）代表介電損耗因子;e代表電場強度，單位為V/m。

通過公式（1）可以看出，隨著介電損耗因子增大，微波汲取能量的能力逐漸增強。由于環氧樹脂介電損耗因子較大，利用微波固化可均衡化樹脂受熱，并加快固化速度，所以環氧樹脂復合材料微波固化一直都備受關注。微波固化與熱固化的特性對比分析具體如表1所示。

2實驗材料與方法

2.1材料

雙酚A型環氧樹脂，值為0.48-0.54mol/100g，當量為185-210g/mol，化學純;TDE-85環氧樹脂，化學純;4，4′二氨基二苯基甲烷，化學純;T700碳纖維，性能高。

2.2設備

自制微波固化裝置頻率為2.45GHz，額定輸出功率為700W;美國Instron公司生產的電子萬能材料試驗機;比利時SkyScan公司生產的CT掃描系統;日本電子株式會社生產的掃描電子顯微鏡。

2.3試樣

基于單環濕法纏繞成型工藝生產碳纖維復合材料NOL環。根據樹脂配置比例制備膠液，將其置于高溫浸膠槽內，通過數控纏繞機成型，NOL環試樣纖維體積分數即（60+1）%。由于微波固化是利用微波加熱負載，因此選用聚四氟乙烯模具（PTFE）纏繞制備NOL環試樣。試樣尺寸具體如表2所示。NOL環試樣具體如圖1所示。

利用微波固化與熱固化方式分別生成NOL環試樣，其中，固化溫度一致，即110℃。熱固化試驗以電烘箱為載體開展，固化制度即110℃/4h，溫度上升速率即3℃/min。微波固化以半球形紅外控溫微波固化優化裝置為輔助開展試驗，固化時間控制在100min，碳纖維/環氧樹脂復合材料固化工藝具體如圖2所示。

2.4性能測試

紅外光譜：通過傅里葉變換紅外光譜儀開展，選擇HBr壓片法，范圍控制在4000-400cm^-1，分辨率控制為4cm^-1;拉伸強度：按照標準體系GB/T1458-2008，通過電子萬能材料試驗機測試，速度控制在3mm/min;層剪強度：按照標準體系GB/T1458-2008，通過電子萬能試驗機測試，加載速度為2mm/min;CT掃描：選用微觀CT掃描體系，電壓為59kV，電流為167uA，分辨率為0.25um，旋轉角度為180°，增量為0.25°，在圖像重構之后，通過分析獲得孔隙率;電鏡掃描：選擇電鏡掃描分析試樣微觀形態特征，斷面則利用真空噴金方式加以處理。

3實驗結果與討論

3.1紅外光譜分析

微波固化產物與熱固化產物的紅外光譜圖大致相同，具體如圖3所示。

圖中曲線1為熱固化產物紅外光譜圖;曲線2為微波固化產物紅外光譜圖。其中，羥基特征吸收峰在3423cm^-1位置處;環氧基團特征吸收峰在916cm^-1位置處。兩種固化方式下產物紅外光譜圖大體一致，并未出現新型吸收峰，這就代表，微波固化與熱固化方式下的產物特征基團相同，由此可知，微波固化方式在環氧樹脂體系固化中并沒有引發新化學反應，并且兩種方式產物的化學結構相同。

3.2力學性能分析

力學性能試驗結果具體如表3所示。

從表3中可以看出，不同固化方式試樣的拉伸強度、拉伸模量、層剪強度水平相當。這就代表縮短周期的前提條件下，微波固化產物與熱固化產物性能大體相同，力學性能離散系數相對偏小。通過分析得知，微波固化方式的體加熱方式比較獨特，可均勻化固化，在固化時，試樣的厚度不同位置的溫度差異幾乎可以忽視，環氧樹脂反應均衡性更強，以此使得力學性能離散程度明顯下降。此外，微波固化工藝還具備良好的溫度控制水平與功率逐漸增加優勢，促使碳纖維復合材料初始溫度上升速度有所下降，從而有效減慢了此時環氧樹脂反應速度，控制了反應時材料孔隙膨脹速度，進而獲得了性能良好的固化產物。

3.3CT掃描分析

基于重構掃描圖像，獲取兩種固化方式試樣孔隙率，具體如表4所示。

分析可知，微波固化方式下NOL環試樣孔隙形態與熱固化方式存在顯著差異，其孔隙形狀主要為圓形或者橢圓形，而熱固化方式試樣孔隙形狀則為細條形。沿著垂直于纖維方向，兩種方式下試樣孔隙都逐漸變大。微波固化方式下試樣均孔隙率相對偏低，這主要是由于微波固化工藝降低了碳纖維復合材料固化反應初始溫度上升速度，在反應時抑制了孔隙擴大趨勢，以此使得微波固化試樣孔隙率明顯下降，這也證明了微波固化方式下碳纖維/環氧樹脂復合材料產物的性能與熱固化方式大致相同的結論。

3.4電鏡掃描分析

在微波固化方式下碳纖維/環氧樹脂復合材料的樹脂基體與纖維粘接都明顯優于熱固化方式。熱固化時材料多數纖維的表層比較光滑，粘接的環氧樹脂相對很少，但是，微波固化時材料多數纖維的表層帶有樹脂基體，這就證明微波固化方式可有效改善纖維一基體表層的粘接性。雖然微波固化方式下材料纖維一基體表層界面情況良好，但是因為其孔隙率比較大，因此層剪強度依舊相對不足。

4結語

綜上所述，微波固化技術不同于熱固化技術相關機理，通過試驗對比分析兩種固化工藝下的力學性能與微細觀形態，得知，基于溫度平臺監控、功率不斷增加的微波固化反應速率顯著提高，周期也明顯縮短了大約60%;基于力學性能角度，微波固化與熱固化試樣的拉伸強度與層剪強度大體持平，但是力學性能分散度相對偏低，離散系數較小;基于電鏡與CT掃描分析，微波固化使得碳纖維表層帶有大量樹脂基體，且能更有效控制地試樣孔隙率，從而確保產物質量。